Neurbiologie

• Ein Reiz ist eine Information, die von Sinneszellen (Rezeptoren) der Sinnesorgane aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt werden kann. Jede Sinneszelle ist für eine spezifische Reizart besonders empfindlich (Adäquater Reiz , Schalwellen Geuchsstoffe Licht usw.)

• Rezeptoren: spezialisierte Nervenzellen, die Reize aufnehmen und in eine Nervenerregung (elektrisches Signal) übersetzen

• Zentrales Nervensystem —> Gehirn, Rückenmark

• Periphäres Nervensystem

◦ Vegetatives Nervensystem Rkt laufen unwillkürlich und unbewusst ab

‣ Sympathisches Nervensystem (Sympathicus: aktiviert Organe, die die körperliche Leistungsfähigkeit steigern, fördert Herz-Kreislauffunktionen)

‣ Parasympathisches Nervensystem (Parasympathicus: fördert die Entspannung und Erholung, regt die Tätigkeit der Verdauuungsorgane an und hemmt Herz-kreislauffunktionen)

◦ Somatisches Nervensystem Rkt laufen willkürlich und bewusst ab

Neuron ist eine spezialisierte Zelle für die Verarbeitung und Weitergave von Informationen (Erregungen)

Funktionen der Zellbestandteile:

• Dendriten: Erregungsaufnahme, Oberflächenvergrößerung

• Zellkörper: Informationsverarbeitung, Stoffaufbau, Energiefreisetzung (mit vielen Mitoch., viel ER, viele Ribosomen)

• Zellkern: Steuerzentrale, Erbmaterial

• Axonhügel: Verarbeitung von Informationen

• Axon: unterschiedlich in der Länge und Erregungsweiterleitung

• Schwann-Hüllzelle: Stabilisierung, Stoffaustausch, Isolierung

• Synapse: Kontaktstelle zwischen 2 Zelle, Erregungsübertragung auf die nächste Zelle (Muskel-,Drüsen-, oder Nervenzelle)

• Endknöpfchen: Teil der Synapse (von der vorausgehenden Nervenzelle am ende des Axons)

Marklose Nervenfasern(Zellen)

• Ummantelt von einfachen Hüllzellen, welche kaum isolierende Wirkung haben

• manchmal ganz ohne Hüllzellen

—> langsame Erregungsleitung

Ummantelt von speziellen Hüllzellen = Gliazellen

=› Isolation, Stützfunktion, Nährstoffversorgung, Abwehraufgaben

• Hülzellen wickeln sich um das Axon und platten sich ab

• Spezialform: Schwann‘sche Zellen v.a. bei motorischen Nervenzellen =Gliazellen, welche im Abstand von 1-2mm durch Ravier‘sche Schnürringe unterbrochen sind ==> schnellere Erregungsleitung

Axon

• Rezeptorneurone Sinneszellen

• Sensorische Nervenzellen

• Schalt- oder Interneurone: Axone verlassen das ZNS nicht

• Motorneuron (motorische Nervenzelle)

Aufrechterhaltung des Ruhepotentials durch die Na+/K+ Pumpe

Ein Membranprotein (Carrier-Protein) transportiert aktiv (unter ATP-Vebrauch) jeweils gegen das Konzentrationsgefälle 3 eingeströmte Na+ Ionen nach außen und 2 ausgetretene K+ Ionen nach innen (Primärer aktiver Transport) (Primär aktiv = unter direkten ATP Verbrauch & Antiport)

—> Aufrechterhaltung des Konzentrationsunterschieds

—> Pro Zeiteinheit werden mehr Natriumionen (3Na+) nach außen als K+ Ionen (2K+) transportiert

==> außen entsteht ein Überschuss an positiver Ladung

Aufgrund des Konzentrationsunterschieds diffundieren die kleineren K+ Ionen durch die selektiv permeable Membran, ihr Gegenione, die größeren Cl- Ionen müssen zurück bleiben

==> Bildung eines Ladungsunterschieds (Spannung) zwischen den beiden Kammern

==> der entstehende Ladunsgunterschied in den beiden Halbzellen wirkt den Konzentrationsunterschied der Kaliumionen entgegen

==> Einstellung eines Gleichgewichts bei der die Zahl eher in entgegengesetzte Richtungen diffundierenden Kaliumionen gleich groß ist

Durch die unterschiedliche Ladungsverteilung der Ionen in den Lösungen entsteht eine Spannung, das Membranpotenzial. Das im unerregten Zustand vorliegende Membranpotenzial nennt man Ruhepotenzial, im erregten Zustand entsteht ein Aktionspotenzia

• Viele Ionenkanäle für Kaliumionen = hohe Permeabilität

• Wenige Ionenkanäle für Natrium- und Chloridionen = niedere Priorität

• keine Ionenkanäle für organische Anionen = keine Permeabilität

Kennzeichen von Aktionspotenzialen:

• Aktionspotentiale sind Alles-oder Nichts Signale, d.h. Sie werden entweder vollständig ausgelöst oder gar nicht.

• Sie laufen immer gleich ab, d.h. Die Amplitudenhöhe des Aktionspotenzials ist unabhängig von der Stärke des überschwelligen Reizes

• Je größer die Reizstärke, desto rascher nach Reizbeginn wird das Aktionspotential ausgelöst

• Dauer des Aktionspotenzials: 1-2 ms (Herzmuskel: 200ms)

Natürliche Erregung: Erregung von Sinneszellen durch physikalische oder chemische Reize

Künstliche Erregung: Strmstoß = universeller Reiz

• Ruhepotential bei ca. -70mv

• Die Depolarisierung führt zur Öffnung von Spannungsabhängigen Natriumkanälen, wenn die Depolarisation die Impulsschwelle erreicht

• Starker Einstrom von Na+ Ionen gemäß des Konzentrations- und Ladungsunterschieds (Verstärkung der Depolarisation)

• Durch positive Rückkopplung öffnen sich weitere Spannungsabhängige Natriumkanäle

• langsames schließen der Natriumkanäle

• Zeitlich verzögert öffnen sich zu den bereits offenen Kaliumionenkanälen noch Spannungsabhängige Kaliumionenkanäle

==> Starker Ausstrom von Kaliumionen entlang des Konzentrations- und Ladungsunterschieds

• Repolarisierung der Membran, sodass die Innenseite wieder negativ und die Außenseite wieder positiv geladen ist

K+ Kanäle schließen nicht so schnell wie die Na+ Kanäle d.h. Die gesteigerte Permeabilität für K+ Ionen nimmt nur langsam ab

=> Repolarisierung geht über das Ruhepotenzial hinaus (Hyperpolarisation)

Die Na+ K+ (Natrium/Kalium Pumpe) stellt die ursprüngliche Ionenkonzentration wieder her

Jedoch sind bei einer Blockade der Natrium Kalium Pumpe noch bis zu 1000 Aktionspotenziale in voller Stärke möglich, da die Zahl der während eines Aktionspotenzials in die Zelle strömenden Natriumionen sehr gering ist.

Durch einen überschwelligen Reiz werden in kürzester Zeit alle verfügbaren Natrium Kanäle eines Membranabschnitts geöffnet

==> Der Ioneneinstrom ist also bei verschieden starken Reizen gleich groß

==> konstante Amplitudenhöhe des Aktionspotenzials

Ü: Begründe wie sich das Aktionspotenzial verändert, wenn die Konzentration von Natriumchlorid außen erhöht wird

A: Größeres Konzentrationsgefälle der Natriumionen, mehr Natriumionen strömen ein => stärkere Depolarisation führt zu einer größeren Amplitude des Aktionspotenzials

Refraktärzeit: Zeit noch Ablauf eines AP, in der die Membran unersetzbar ist (absolute Refraktärzeit) oder die Reizschwelle bzw. Impulsschwelle noch erhöht ist (relative Refraktärzeit)

Absolute Refraktärzeit: während des Aktionspotenzials + 1 ms ist das Axon absolut unerregbar und auch durch eine überschwelligen Depolarisation kann noch kein zweites Aktionspotenzials ausgelöst werden. Die Na+ Kanäle sind nach ihrer Schließung noch inaktiviert

B) Relative Refraktärzeit: Die Impulsschwelle ist erhöht, die Amplitude des Aktionspotenzials ist verkleinert. Hier sinkt die K+ Permeabilität gerade ab und die Na+/K+ Pumpe stellt die ursprünglichen Konzentrationsverhältnisse her.

• je stärker die längerandauernden überschwelligen Reizem desto höher ist die Frequenz von Aktionspotenzialen (Hinweis: ein starker Reiz kann früher in der relativen Refraktärzeit ein Aktionepotenzial auslösen)

==> Die Frequenz dient im ZNS zur Unterscheidung von verschiedenen Reizstärken

Kontinuierliche Erregungsleitung in marklosen Nervenfasern

• Durch die passive Austretung der Ladungsveränderung (Ionenwanderung) entlang der Membran kommt es auch in Nachbarabschnitten zu einer Depolarisation —> Öffnung von Spannungsabhängigen Na+ Kanälen —> beim erreichen der Impulsschwelle wird ein neues Aktionspotential ausgelöst

• Keine Abschwächung der Erregung bei der Weiterleitung, da die Aktionspotentiale ständig neu gebildet werden

Problem: Warum erfolgt die Weiterleitung der Erregung nur in eine Richtung?

Die APs können nur in eine Richtung weitergeleitet werden, da sich die Membran des jeweils vorherigen Abschnitts nach Ablauf eines Aktionspotentials kurz in der absoluten Refraktärphase befindet

Saltatorische Erregungsleitung in markhaltigen Nervenfasern

AP können nur an den Ravierschen Schnürringen entstehen, da die Schwann-Hüllzellen elektrisch isolieren (kein Kontakt der Axonmembran zur extrazellulären Flüssigkeit, d.h. Nahezu keine Na+ Kanäle)

==> die Aktionspotentiale „Springen“ von Schnürring zu Schnürring

Vorteile der saltatorischen Erregungsleitung:

• hohe Leitungsgeschwindigkeit bei geringeren Axondurchmesser möglich

• Geringerer Energiebedarf, da die Na+/K+ Pumpe nur an den Schnürringen arbeiten muss

Abhängig von:

• Durchmesser des Axons (je größer der Durchmesser, desto geringer dessen Längswiderstand, desto größer die Leitungsgeschwindigkeit)

• Erregungsleitungstyp: saltatorischge Erregungsleitung ca. 50-100 m/s ; kontinuierliche Erregungsleitung ca. 0,5-2m/s

• Temperatur: bei wechselwarmen Tieren langsamer als bei gleichwarmen Tieren

Synapse: Kontaktstelle eines Axons mit einer Nerven- Muskel- oder Drüsenzelle

—> interneurale Synapse: Neuron-Neruon

—> intermuskuläre Synapse: motorische Nervenzelle (Motoneuron)-Muskelzelle bzw. Motorische Endplatte

• häufigste Synapsen (meisten Synapsen im NS und bei allen Synapsen zwischen Nerven- und Muskelzellen)

• Kein direkter Kontakt der Zellen —> Überträgerstoff (Neurotransmitter) notwendig um Synaptischen Spalt zu überwinden